Unidad 12: Reacciones químicas

Transcripción

1 Unidad 12: Reacciones químicas 1. INTRODUCCIÓN (pp y ) Una reacción química es todo proceso en el cual una o más sustancias (llamadas reactivos) se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces, en otras sustancias llamadas productos Teoría atómica de las reacciones químicas La teoría de las colisiones explica cualitativamente cómo ocurren las reacciones químicas y por qué las velocidades de reacción difieren para diferentes reacciones. Para que una reacción ocurra las moléculas de los reactivos deben colisionar. Solo una cierta fracción de las colisiones totales causan un cambio químico; estas son llamadas colisiones eficaces. Las colisiones eficaces son aquellas en las que las moléculas chocan con la orientación adecuada y tienen energía suficiente (energía de activación) para romper los enlaces existentes y formar nuevos enlaces, resultando en los productos de la reacción La teoría del estado de transición explica la velocidad de reacción de reacciones químicas elementales. Existe un estado intermedio, denominado estado de transición, donde se produce una especie química intermedia entre reactivos y productos, denominado complejo activado. El complejo activado posee mayor energía que reactivos y productos, por lo que es inestable, descomponiéndose en los productos. Para alcanzar el estado de transición es preciso que se absorba una cantidad de energía, denominada energía de activación Ecuaciones químicas. Ajuste A la representación simbólica de las reacciones se les denomina ecuaciones químicas: En el miembro izquierdo se escriben los reactivos. En el miembro derecho se escriben los productos. Se denominan reacciones reversibles (vs. irreversibles), a aquellas en las que los productos se transforman en reactivos mediante el proceso inverso (vs. no se transforman). Se distinguen mediante una flecha simple (, vs. flecha doble ). En caso de ser necesario, se indica el estado de agregación de reactivos y productos: Estado gaseoso (g) Estado líquido (l) Estado sólido (s) Disolución acuosa (aq) El desprendimiento de una sustancia gaseosa que se pierde en el ambiente se representa mediante una flecha hacia arriba ( ). La producción de un precipitado sólido en una disolución líquida se representa mediante una flecha hacia abajo ( ). Ajustar una reacción química consiste en colocar delante de cada fórmula un coeficiente estequiométrico, de tal forma que el número de átomos de cada elemento sea el mismo en ambos miembros de la ecuación. En general se elige el conjunto de números naturales de menor valor posible, aunque en algunos casos se admiten coeficientes fraccionarios con denominador 2. Ejercicios p. 302 nº 2, 3, 4 y 5. Raúl Corraliza 72

2 1.3. Clasificación de las reacciones químicas En función del mecanismo de reacción: Reacción de síntesis: Elementos o compuestos sencillos se unen para formar un compuesto más complejo. A+B AB Reacción de descomposición: Un compuesto se fragmenta en elementos o compuestos más sencillos. AB A+B Reacción de desplazamiento o simple sustitución: Un elemento reemplaza a otro en un compuesto. A + BC AC + B Reacción de doble desplazamiento o doble sustitución: Los iones en un compuesto cambian lugares con los iones de otro compuesto para formar dos sustancias diferentes. AB + CD AD + BC 2. CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS (pp ) 2.1. Cálculos con masas Ejercicios pp. 302 y 303 nº 13, 16 y Cálculos con volúmenes de gases Ejercicios pp. 302 y 303 nº 14, 15 y Reactivos en disolución Ejercicios p. 303 nº Reactivo limitante Ejercicios p. 303 nº Reactivo común de una mezcla Ejercicios pp. 303 y 304 nº Impurezas Ejercicios p. 304 nº 30, 31 y Rendimiento de una reacción Ejercicios p. 304 nº 32 y 33. Raúl Corraliza 73

3 3. TERMODINÁMICA QUÍMICA (pp ) 3.1. Energía química Se denomina energía química a la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía Reacciones exotérmicas y endotérmicas En función del flujo de calor entre el sistema y su entorno, las reacciones se clasifican en: Reacciones exotérmicas: La energía de los reactivos es mayor que la de los productos, el sistema desprende calor hacia su entorno. Reacciones endotérmicas: La energía de los reactivos es menor que la de los productos, el sistema absorbe calor de su entorno Calor y entalpía de reacción Se denomina calor de reacción al calor intercambiado entre el sistema y su entorno cuando ocurre una reacción química a temperatura constante, Q T. Se denomina entalpía, H, a una magnitud termodinámica cuya variación representa el calor intercambiado entre el sistema y su entorno cuando ocurre una reacción química a presión constante. Δ H =Q p Su unidad en el SI es el julio (J). Es una magnitud extensiva (depende de la cantidad de materia). Es una función de estado (su variación depende únicamente de los estados inicial y final). El signo de la variación de entalpía en una reacción, Δ H = H Productos H Reactivos, la caracteriza: Δ H >0 H Productos > H Reactivos Reacción endotérmica. Δ H <0 H Productos < H Reactivos Reacción exotérmica. Se denomina variación de entalpía estándar, Δ H 0, a la correspondiente a una reacción en la cual: La presión es la estándar, p 0 =10 5 Pa. No existe un valor estándar de temperatura, aunque se suele emplear una temperatura habitual de 25 ºC = 298,15 K. Las especies químicas que intervienen se encuentran en el estado de agregación más estable a la presión estándar. En el caso de sólidos, se encuentran en la forma cristalina más estable a dicha presión. Las disoluciones tienen concentración 1 M. Dentro de las variaciones de entalpía estándar más comunes se encuentran las entalpías estándar de formación, correspondientes a la formación de 1 mol de sustancia en estado estándar a partir de sus elementos, también en estado estándar. Se denomina ecuación termoquímica a una reacción química ajustada en la que se indican expresamente las magnitudes termodinámicas correspondientes (en general, la entalpía). La ley de Hess establece que el calor de reacción liberado o absorbido en una reacción es independiente del número de etapas en que se produzca. Así pues, si una reacción puede expresarse como suma algebraica de otras, su variación de entalpía es igual a la suma algebraica de las variaciones de entalpías de estas. Ejercicios pp nº 4, 7, 8, 9, 11, 12, 16, 19, 20, 22. Raúl Corraliza 74

4 4. CINÉTICA QUÍMICA (pp. 312 y ) 4.1. Velocidad de reacción El objeto de la cinética química es medir la rapidez de las reacciones químicas y encontrar ecuaciones que relacionen la rapidez de una reacción con variables experimentales: La concentración de las especies involucradas en la reacción. Una constante k, que puede a su vez depender de numerosos factores: El disolvente utilizado. El uso de catalizadores. Fenómenos de transporte. Etc Factores que influyen en la velocidad de reacción Naturaleza de los reactivos y productos: Las reacciones son tanto más rápidas cuantos menos enlaces deban reorganizarse. Las reacciones entre compuestos iónicos son más rápidas que las que involucran compuestos covalentes. Temperatura: La velocidad de reacción aumenta con la temperatura. Al aumentar la temperatura se incrementa la energía cinética de las moléculas, por lo que las moléculas se mueven más rápido y chocan con mayor frecuencia y más energía, alcanzándose en mayor proporción la energía de activación. Experimentalmente se comprueba que la velocidad se duplica aproximadamente cada diez grados centígrados. Estado físico de los reactivos: Una mayor superficie de contacto entre reactivos conlleva una mayor velocidad de reacción. En general, las reacciones entre gases son las más rápidas. En el caso de reacciones con una fase sólida, la velocidad es mayor cuanto más pulverizado se encuentre. Presencia de un catalizador o inhibidor: Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de una reacción, sin consumirse en ella. Los inhibidores son sustancias que disminuyen la velocidad de una reacción, sin consumirse en ella. Con carácter general: No alteran las variables termodinámicas del proceso, tan solo la energía de activación. Son específicos de cada reacción, y solo operan en estrechos márgenes de temperatura y ph. Concentración de los reactivos: Si los reactivos están en disolución, o son gases encerrados en un recipiente, cuanto mayor sea su concentración, más alta será la velocidad de la reacción. Al haber más partículas en un mismo volumen, aumenta el número de colisiones. Presión: Si los reactivos son gases encerrados en un recipiente, cuanto mayor sea la presión, más alta será la velocidad de reacción. Al aumentar la presión, disminuye el volumen, aumentando el número de colisiones; o bien aumenta la temperatura, aumentando la energía de las colisiones. Ejercicios pp. 326 nº Raúl Corraliza 75

5 5. REACCIONES QUÍMICAS DE INTERÉS (pp ) 5.1. Reacciones de combustión La combustión es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía en forma de calor y luz. El reactivo que se oxida se denomina combustible. El reactivo oxidante (generalmente oxígeno O 2) se denomina comburente. Algunos explosivos tienen oxígeno ligado químicamente, por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión Reacciones en los seres vivos: respiración celular y fotosíntesis La respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales determinados compuestos orgánicos son degradados completamente, por oxidación, hasta convertirse en sustancias inorgánicas, proceso que proporciona energía aprovechable por la célula. La fotosíntesis es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales se produce la conversión de materia inorgánica en materia orgánica gracias a la energía que aporta la luz Reacciones industriales La industria química se ocupa de la extracción y procesamiento de las materias primas, tanto naturales como sintéticas, y de su transformación en otras sustancias con características diferentes de las que tenían originalmente. 6. IMPLICACIONES MEDIOAMBIENTALES (pp ) 6.1. Efectos adversos en el medio ambiente El efecto invernadero evita que una parte del calor recibido desde el sol deje la atmósfera y vuelva al espacio, lo que produce el calentamiento de la superficie terrestre. Existe una cierta cantidad de gases de efecto de invernadero en la atmósfera que son absolutamente necesarios para calentar la Tierra, pero en la debida proporción. Actividades como la quema de combustibles derivados del carbono aumentan esa proporción y el efecto invernadero aumenta (calentamiento global). Otros gases que contribuyen al problema incluyen los clorofluorocarbonos (CFC), el metano, los óxidos nitrosos y el ozono. La capa de ozono es la zona de la estratosfera terrestre que contiene una concentración relativamente alta de ozono (O 3). Esta capa, que se extiende aproximadamente de los 15 km a los 50 km de altitud, reúne el 90 % del ozono presente en la atmósfera y absorbe del 97 % al 99 % de la radiación ultravioleta de alta frecuencia. El daño a la capa de ozono se produce principalmente por el uso de clorofluorocarbonos (CFC). El agotamiento del ozono produce niveles más altos de radiación UV en la tierra, con lo cual se pone en peligro tanto a plantas como a animales. La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina con los óxidos de nitrógeno, el dióxido de azufre y el trióxido de azufre emitidos por fábricas, centrales eléctricas, calderas de calefacción y vehículos que queman carbón o productos derivados del petróleo que contengan azufre. En interacción con el agua de la lluvia, estos gases forman ácidos nítricos, ácido sulfuroso y ácido sulfúrico. Finalmente, estas sustancias químicas caen a la tierra acompañando a las precipitaciones, alterando el crecimiento de las plantas, incrementando la acidez del suelo y de las aguas, disolviendo metales tóxicos que luego pasan a la cadena alimentaria y deteriorando los monumentos arquitectónicos. Raúl Corraliza 76

6 6.2. Desarrollo y sostenibilidad La sostenibilidad energética es definida por el Consejo Mundial de la Energía como el equilibrio entre tres dimensiones principales: La seguridad energética se refiere tanto a los países importadores como para los exportadores de energía. Incluye: la gestión eficaz de la oferta de energía primaria, de origen nacional o extranjero; la confiabilidad de la infraestructura de energía; y la capacidad de las empresas de energía para satisfacer las necesidades actuales y futuras de la sociedad como un todo. La equidad social se refiere a la accesibilidad y costo razonable de proporcionar energía a la población. La carencia de equidad social en esta materia se ha definido como "pobreza energética". El problema del acceso a la energía, endémico en países del Tercer Mundo, se ha extendido también a los del Primer Mundo por las crecientes dificultades económicas de las familias para hacer frente a la tarifa energética. La mitigación del impacto ambiental incluye la obtención de la eficiencia energética en el lado de la oferta y la demanda y el suministro de energía a partir de fuentes renovables y otras fuentes con bajas emisiones de dióxido de carbono y otros gases que acentúan el efecto invernadero y la contaminación del aire, con las enfermedades que esto ocasiona. El desarrollo de sistemas de energía estables, accesibles y ambientalmente aceptables desafía soluciones simples. Estos tres objetivos son un "trilema" que requiere de complejas interconexiones entre sectores público y privado, entre gobiernos y entes reguladores, entre la economía, los recursos nacionales disponibles, las normativas legales vigentes, las preocupaciones ambientales y el comportamiento individual y colectivo de las sociedades. Ejercicios pp. 326 nº Raúl Corraliza 77